00重要半导体材料研究的新进展-已

1、硅材料具有储量丰富、价格低廉、热性能与机械性能优良、易于生长大尺寸度晶体等优点，处在成发展阶段。目前，硅材料仍是电子信息产业最主要的基础材料， 95%以上的半导体器件和 99%以上的集成电路（IC）是用硅材料制作的。在 21 世纪，它的主导和地位仍不会动摇。但是硅材料的物理性质限制了其在光电子和高频高功率器件上的应用。砷化镓材料的电子迁移率是硅的 6 倍多，其器件具有硅器件所不具有的高频、高速和光电性能，并可在同一同时处理光电信号，被公认是新一代的通信用材料。随着材料SiGaAsGaN物理性质禁带宽度（ev）1.11.43.4饱和速率（10-7cm/s）1.02.12.7热导（W/cK）1.3

2、0.62.0击穿电压（M/cm）0.30.45.0电子迁移速率（cm2/Vs）应用情况光学应用无红外蓝光/紫外高频性能差好好高温性能中差好发展阶段成熟发展中初期相对制造成本低高高、，电子科技大学（2006-9-10）半导体材料是指电阻率在 10-3108cm，介于金属和绝缘体之间的材料。半导体材料是制作晶体管、集成电路、电力电子器件、光电子器件的重要基础材料，支撑着通信、计算机、信息家电与网络技术等电子信息产业的发展。电子信息产业规模最大的是。近几年来，中国电子信息产品以举世瞩目的速度发展，2003 年中国电子信息产业销售收入 1.88 万亿元，折合 22002300 亿 ，产业规模已超过 位

3、居世界第二（同期 信息产业销售收入只有 1900 亿 ）， 第一大支柱产业。半导 体材料及应用已成为衡量一个国家经济发展、科技进步和国防实力的重要标志。一、概述在半导体产业的发展中，一般将硅、锗称为第一代半导体材料；将砷化镓、磷化锢、磷化镓、砷化锢、砷化铝及其合金等称为第二代半导体材料；而将宽禁带（Eg2.3eV）的氮化镓、碳化硅、硒化锌和石等称为第三代半导体材料。上述材料是目前主要应用的半导体材料，三代半导体材料代表品种分别为硅、砷化镓和氮化镓。本文沿用此分类进行介绍。材料的物理性质是产品应用的基础，表 1 列出了主要半导体材料的物理性质及应用情况。表中禁带宽度决定发射光的波长，禁带宽度越大

4、发射光波长越短（蓝光发射）；禁带宽度越小发射光波长越长。其它参数数值越高，半导体性能越好。电子迁移速率决定半导体低压条件下的高频工作性能，饱和速率决定半导体高压条件下的高频工作性能。表 1：主要半导体材料的比较半导体材料的发展现状及趋势于 2008-10-11二、半导体材料发展现状1、半导体硅材料材料名称制作器件主要用途硅二极管、晶体管通讯、广播、电视、自动控制集成电路各种计算机、通讯、广播、自动控制、电子钟表、仪表整流器整流晶闸管整流、直流输配电、电气机车、设备自控、高频振荡器射线探测器原子能分析、光量子检测能电池能发电砷化镓各种微波管、微波通讯、电视、移动通讯激光管光纤通讯红外发光管小功率

5、红外光源霍尔元件磁场控制激光调制器激光通讯高速集成电路高速计算机、移动通讯能电池能发电氮化镓激光器件光学、激光、医疗、军事应用发光二极管信号灯、显示、微型灯泡、移动紫外探测器分析仪器、火焰检测、臭氧监测集成电路通讯（功放器件）、性内存、电子开关、高速信息产业的蓬勃发展，砷化镓成为继硅之后发展最快、应用最广、产量最大的半导体材料。同时，其在军事电子系统中的应用日益广泛，并占据不可取代的重要地位。从表 1 看出，选择宽带隙半导体材料的主要理由是显而易见的。氮化镓的热导率明显高于常规半导体。这一属性在高功率放大器和激光器中是很起作用的。带隙大小本身是热生率的主要贡献者。在任意给定的温度下，宽带隙材料

6、的热生率比常规半导体的小 1014 个数量级。这一特性在电荷耦合器件、新型非易失性高速 器中起很大的作用，并能实质性地减小光探测器的暗电流。宽带隙半导体材料的高介电强度最适合用于高功率放大器、开关和二极管。宽带隙材料的相对介电常数比常规材料的要小，由于对寄生参数影响小，这对毫米波放大器而言是有利用价值的。电荷载流子输运特性是许多器件尤其是工作频率为微波、毫米波放大器的一个重要特性。宽带隙半导体材料的电子迁移率一般没有多数通用半导体的高，其空穴迁移率一般较高， 石则很高。宽带隙材料的高电场电子速度（饱和速度）一般较常规半导体高得多，这就使得宽带隙材料成为毫米波放大器的首选者。氮化镓材料的禁带宽度

7、为硅材料的 3 倍多，其器件在大功率、高温、高频、高速和光电子应用方面具有远比硅器件和砷化镓器件更为优良的特性，可制成蓝绿光、紫外光的发光器件和探测器件。近年来取得了很大进展，并开始进入市场。与制造技术非常成熟和制造成本相对较低的硅半导体材料相比，第三代半导体材料目前 的最主要是发展适合氮化镓薄膜生长的低成本衬底材料和大尺寸的氮化镓体单晶生长工艺。主要半导体材料的用途如表 2 所示。可以预见：以硅材料为主体、GaAs 半导体材料及新一代宽禁带半导体材料共同发展将成为集成电路及半导体器件产业发展的主流。表 2：半导体材料的主要用途从目前电子工业的发展来看，尽管有各种新型的半导体材料不断出现，半导

8、体硅材料以丰富的资源、优质的特性、日臻完善的工艺以及广泛的用途等综合优势而成为了当代电子工业中应用最多的半导体材料。硅是集成电路产业的基础，半导体材料中 98%是硅。半导体器件的 95%以上是用硅材料制作的，90%以上的大规模集成电路（LSI）、超大规模集成电路（VLSI）、甚大规模集成电路（ULSI）都是制作在优质的硅抛光片和外延片上的。硅片被称作集成电路的发展紧密相关。材料，硅材料产业的发展和集成电路的半导体硅材料自从 60 年代被广泛应用于各类电子元器件以来，其用量平均大约以每年 1216%的速度增长。目前全世界每年消耗约 1800025000 吨半导体级多晶硅，消耗 60007000

9、吨单晶硅，硅片销售金额约 6080 亿。可以说在未来 3050年内，硅材料仍将是LSI 工业最基础和最重要的功能材料。电子工业的发展历史表明，没有半导体硅材料的发展，就不可能有集成电路、电子工业和的发展。半导体硅材料分为多晶硅、单晶硅、硅外延片以及非晶硅、浇注多晶硅、淀积和溅射非晶硅等。现行多晶硅生产工艺主要有改良西门子法和硅烷热分解法。主要产品有棒状和粒状两种，主要是用作单晶硅以及能电池等。生长单晶硅的工艺可分为区熔（FZ）和直拉（CZ）两种。其中，直拉硅单晶（CZ-Si）广泛应用于集成电路和中小功率器件。区域熔单晶（FZ-Si）目前主要用于大功率半导体器件，比如整流二极管，硅可控整流器，大

10、功率晶体管等。单晶硅和多晶硅应用最广。经过多年的发展和竞争，国际硅材料行业出现了销量的 90%以上，其中性企业，、德国和的六大硅片公司的销量占硅片总、SUMCO 和 MEMC 四家的销售额占世界硅片销售额的 70%以上，决定着国际硅材料的价格和高端技术产品市场，其中以的硅材料产业最大，占据了国际硅材料行业的半壁。在集成电路用硅片中，8 英寸的硅片占主流，约 4050%，6 英寸的硅片占 30%。当硅片的直径从 8 英寸到 12 英寸时，每片硅片的数增加 2.5 倍，成本约降低 30%，因此，国际大公司都在发展 12 英寸硅片，2006 年产量将达到 13.4 亿平方英寸，将占总产量的 20%左

11、右。现代微电子工业对硅片关键参数的要求如表 3 所示。表 3：现代微电子工业对硅片关键参数的要求首批产品预计生产年份2005200820112014工艺代（特征尺寸/nm）100705030晶片尺寸/mm300300300450去边/mm1111正表面颗粒和 COP 尺寸/mm50352525颗粒和 COP 密度/mm-20.100.100.100.10表界 金 属 元 素 密 度/109at.mm-24.94.23.63.0局部平整度/nm100706035中心氧含量/1017cm-39.0/15.59.0/15.59.0/15.59.0/15.5Fe 浓度/1010cm-31111复合/s

12、325350350400（1）多晶硅多晶硅是单晶硅和能电池的原料。半导体级多晶硅的生产技术现多采用改良西门子法，这种方法的主要技术是：（1）在大型反应炉内同时加热许多根金属丝，1998 年，多晶硅生产厂商预计半导体行业将快速增长，因此大量扩张产能。然而，半导体行业并未出现预期高速增长，多晶硅需求急剧下降，结果导致多晶硅产能严重过剩。2003 年以前，多晶硅供大于求（见图 1），2004 年多晶硅供需达到平衡，2005年，多晶硅生产厂家有必要增加投资扩大产能增加能多晶硅的产量。图 1：19982004 年多晶硅产量及产能缺口目前全世界每年消耗约 22000 吨半导体级多晶硅，世界多晶硅的年生产能

13、力约为28000 吨，生产高度集中于美、日、德 3 国，海姆洛克（）、ASIM（德国），德山（）、MEMC（）占据了多晶硅市场的 80%以上。其国哈姆洛克公司产能达 6500t/a，德国化学公司和德山公司产能超过 4500t/a，美国MEMC 公司产能超过 2500t/a。中国多晶硅严重短缺，远不能满 内市场需求。多晶硅工业起步于 50 年代，60年代实现工业化生产。由于技术水平低、生产规模太小、环境污染严重、生产成本高，目前只剩下峨嵋半导体材料厂和洛阳单晶硅厂 2 个厂家生产多晶硅。中国多晶硅的产能为 100 吨/年，实际产量是 7080 吨，仅占世界产量的 0.4%，与 信息产业的高速发展

14、和多晶硅的市场需求急剧增加极不协调。我国这种多晶硅供不应求的局面还将持续下去。据 ，2005 年中国多晶硅年需求量约为 756 吨，2010 年为 1302 吨，市场前景十分巨大。峨嵋半导体材料厂和洛阳单晶硅厂 1999 年多晶硅生产能力分别为 60t/a 和 20t/a。峨嵋半导体材料厂 1998 年建成的 100t/a 规模的多晶硅工业性生产示范线，提高了各项经济技术指标，同时该厂正在积极进行 1000t/a 多晶硅项目建设的前期工作。洛阳单晶硅厂将多晶硅产量扩建至 300t/a。项目免洗料酸腐蚀料纯度及 电阻率施主（P、As、Sb）max 150pptamax 150pptamin 50

15、0cmmin 500cm受主（B、Al）max 50pptamax 50pptamin 500cmmin 500cm碳max 100ppbamax 100ppba体金属总量（Fe、Cu、Ni、Cr、Znmax 500pptwmax 500pptw表面金 属Femax 5000pptwmax 500pptw/250pptaCumax 1000pptwmax 50pptw/25pptaNimax 1000pptwmax 100pptw/50pptaax 1000pptwmax 100pptw/55ppta减小炉壁辐射所造成的热损失；（2）炉的内壁加工成镜面，使辐射热反射，减少散热；（3）提高炉内压

16、力，提高反应速度等措施；（4）在大型不锈钢金属反应炉内使用 100根以上的金属丝。 电耗由过去每公斤 300 度降低到 80 度。多晶硅产量由改良前每炉次 100200 公斤提高到 56 吨。其显著特点是：能耗低、产量高、质量稳定。表 4给出了德国 公司的多晶硅质量指标数据。表 4：多晶硅质量指标未来多晶硅的发展方向是进一步降低各种杂质含量，提高多晶硅纯度并保持其均匀性，稳定提高多晶硅整体质量和扩大供给量，以缓解供需。另外，在单晶大直径化的发展过程中，坩埚增大直径是有一定限度的。对此，未来粒状多晶硅将可能逐步扩大供需量。（2）单晶硅和外延片生产单晶硅的工艺主要采用直拉法（CZ）、区熔法（FZ）

17、 、磁场直拉法（MCZ）以及双坩埚 法。CZ、FZ 和MCZ 单晶各自适用于不同的电阻率范围的器件，而 MCZ可完全代替 CZ，可部分代替 FZ。MCZ 将取代 CZ 成为高速 ULI 材料。一些硅材料技术先进的国家 MCZ 技术发展较快。对单晶的主要质量要求是降低各种有害杂质含量和微缺陷，根据需要控制氧含量并保持向分布均匀、控制电阻率均匀性。硅晶片属于密集型和技术密集型行业，在国际市场上产业相对成熟，市场进入平稳发展期，生产集中在少数几家大公司，小型公司已经很难其中。国际市场单晶硅产量前 5 位的公司分别是化学公司（Shin-Etsu）、德化学公司三菱材料公（Wacker）、住友金属公司（S

18、umitomo）、MEMC 公司和司。这 5 家公司 2001 年硅晶片的销售总额为 51.47 亿元，占全球销售额的 79.1%，其中的 3 家地位。公司占据了市场份额的 50.7%，表明在全球硅晶片行业中占据了主导集成电路高集成度、微型化和低成本的要求对半导体单晶材料的电阻率均匀性、金属杂质含量、微缺陷、晶片平整度、表面洁净度等提出了更加苛刻的要求，晶片大尺寸和高质量成为必然趋势。目前全球主流硅晶片已由直径 8 英寸逐渐过渡到 12 英寸晶片，研制水平已达到 16 英寸。中国半导体材料行业经过四十多年发展已取得相当大的进展，先后研制和生产了 4英寸、5 英寸、6 英寸、8 英寸和 12 英

19、寸硅片。随着半导体分立元件和硅光电池用低档和廉价硅材料需求的增加，中国单晶硅产量逐年增加。据统计，2001 年我国半导体硅材料的销售额达 9.06 亿元，年均增长 26.4%。单晶硅产量为 584t，抛光片产量 5183万平方英寸，主要规格为 36 英寸，6 英寸正片已供应集成电路企业，8 英寸主要用作陪片。单晶硅出口大，出口额为 4648 万，占总销售额的 42.6%，较 2000 年增长了 5.3%。目前，国外 8 英寸 IC 生产线正向我国性移动，我国新建和在建的F8 英寸 IC 生产线有近 10 条之多，对大直径高质量的硅晶片需求十分强劲，而国内供给明显，基本依赖进口，中国硅晶片的技术

20、差距和结构不合理可见一斑。在现有形势和优势面前发展我国的硅单晶和IC 技术着巨大的机遇和。2004 年国内从事硅单晶材料产的企业约有 35 家，从业约 3700 人，主要研究和生产有有研硅股、杭州海纳半导体材料公司、宁波立立电子公司、洛阳单晶硅厂、万向硅峰电子材料公司、晶华电子材料公司、峨眉半导体材料厂、河北半导体材料公司等。其中，有研硅股在大直径硅单晶的研制方面一直居国内领先地位，先后研制出我国第一根 6 英寸、8 英寸和 12 英寸硅单晶，单晶硅在国内市场占有率为 40%。2004 年国内硅单晶产量达 1000 吨左右，销售额突破 11 亿元，平均年增长率为 27.5%，预计 2005 年

21、我国硅单晶产量可达 1400 吨左右。随着集成电路特征线宽尺寸的不断减小，对硅片的要求越来越高（详见表 3），控制单晶的原生缺陷变得愈来愈，因此外延片越来越多地被采用。目前 8 英寸硅片有很大部分是以外延片形式提供的，而 12 英寸生产线将全部采用外延。目前国外单移动用电子器件和光电器件市场快速增长的要求，使全球砷化镓晶片市场以长性。是最大的生产国和输出国，占世界市场的 7080%；在 1999 年成功地建成了 3 条 6 英寸砷化镓生产线，在砷化镓生产技术上领先一步。住友电工是世界最大的砷化镓生产和销售商，年产 GaAs 单晶 30t。 AXT 公司是世界最大的 VGFGaAs 材料生产商。

22、世界 GaAs 单晶主要生产商情况见表 6。国际上砷化镓市场需求以30%的年增长率迅速形成数十亿的大市场，预计未来 20 年砷化镓市场都具有工艺特点LECHBVGFVBVCZ工 艺水平低位错差好很好很好好位错均匀性差中等好好好长尺寸好差好好很好大直径好差好好很好好好差差差位错密度（cm-2）104105102102102102103生 产水平直径（英寸）3、4、62、326264、6位错密度（cm-2）11041103510351035103迁 移 率 （ cm2/（vs）60007000生产规模规模生产规模生产批量生产批量生产试制晶硅和外延片的生产企业有（）、三菱住友 SUMCO（），MEM

23、C（），（德国）等。目前从事外延片 产的主要 有信息 电子 13 所、电子 55 所、华晶外延厂等近 10 家，但是由于技术、体制、 等种种原因，中国硅材料企业的技术水平要比发达国家 约 10 年，硅外延状况也基本如此。目前中国硅外延片产品规格主要是 4 英寸、5 英寸、6 英寸硅外延片，还没有大批量生产，8 英寸硅外延尚属空白。在世界范围内 8 英寸和 12 英寸硅片仍然是少数几家硅片供应商的拳头产品，他们有自己的专有生产技术，为世界提供了大部分制造集成电路用的 8 英寸和 12 英寸硅抛光片和硅外延片，这种局面在今后相当一段时间内不会有根本的改变，这些大公司的 12 英寸外延片已量产化，目

24、前国外 8 英寸外延片价格约 45 /片，而 12 英寸外延片价格就高的多，其经济效益还是很可观的。2、砷化镓单晶材料（1）国外发展概况砷化镓是微电子和光电子的基础材料，为直接带隙，具有电子饱和漂移速度高、耐高温、抗辐照等特点，在 速、 频、低功耗、低噪声器件和电路，特别在光电子器件和光电集成方面占有独特的优势。目前，世界砷化镓单晶的总年产量已超过 200 吨（ 1999 年的砷化镓单晶的生产量为 94 吨）。用于大量生产砷化镓晶体的方法是传统的 LEC 法（液封直拉法）和 HB 法（水平舟生产法）。国外开发了兼具以上 2 种方法优点的 VGF 法（垂直梯度凝固法）、VB 法（垂直 ）和 VC

25、Z 法（蒸气压控制直拉法），成功 出 46英寸大直径 GaAs 单晶。各种方法比较详见表 5。其中以低位错密度的 HB 方法生长的 23 英寸的导电砷化镓衬底材料为主。表 5：GaAs 单晶生产方法比较公司名称住 友电工住 友矿山同 和矿业日 立电线昭 和电工三 菱化学CSIAXTHPMCPFreibuigerHBLECVGF/VBDDD注：主要产品（大生产），生产（大量，小规模），D 开发中（2）中国国内研究状况中国从上世纪 60 年代初开始研制砷化镓，近年来，随着半导体、圣科佳电子相继成立，中国的化合物半导体产业迈上新台阶，更快的发展道路。镓英公司成功拉制出中国第一根 6.4 公斤 5 英

26、寸 LEC 法大直径砷化镓单晶；信息46 所生长出中国第一根 6 英寸砷化镓单晶，单晶重 12kg，并已连续生长出 6 根 6 英寸砷化镓单晶；西安理工大在高压单晶炉上称重单元技术研发方面取得了突破性的进展。中国 GaAs 材料单晶以 23 英寸为主，4 英寸处在前期，研制水平达 6 英寸。目前 4 英寸以上晶片及集成电路GaAs 晶片主要依赖进口。砷化镓生产主要原材料为砷和镓。虽然砷和镓的资源大国，但仅能生产品位较低的砷、镓材料（6N 以下纯度），主要用于生产光电子器件。集成电路用砷化镓材料的砷和镓原料要求达 7N，基本靠进口解决。中国国内GaAs 材料主要生产为： 镓英、有研硅股、信息产业

27、部电子 46 所、电子 55 所等。主要竞争对手来自国外。镓英 2001 年起计划投入近 2 亿进行砷化镓材料的，初期计划规模为 46 英寸砷化镓单晶晶片 58万片，46 英寸分子束外延砷化镓基材料 23 万片，目前该项目仍在建设期。目前国内砷化镓材料主要由有研硅股供应，2002 年销售 GaAs 晶片 8 万片。中国在努力缩小 GaAs 技术水平和生产规模的同时，应重视具有独立知识的技术和产品开发，发展砷化镓产业。3、宽禁带氮化镓材料以 Si 和 GaAs 为代表的传统半导体材料的高速发展推动了微电子、光电子技术的 迅猛发展。然而受材料性能所限，用这些材料制成的器件大都只能在 200以下的热

28、环4 英寸单晶材料为主，而 6 英寸单晶材料产量和市场需求快速增加，已占据 35%以上的市场份额。研制和小批量生产水平达到 8 英寸。近年来，为满足高速移动通信的迫切需求，大直径（68 英寸）的 Si-GaAs 发展很快，4 英寸 70 厘及 6 英寸 35 厘和 8 英寸的半绝缘砷化镓（Si-GaAs）也在研制成功。磷化铟具有比砷化镓更优越的高频性能，发展的速度更快，但研制直径4 英寸以上大直径的磷化铟单晶的尚未完全突破，价格居高不下。砷化镓单晶材料的发展趋势是：增大晶体直径，目前 4 英寸的 Si-GaAs 已用于大生产，预计直径为 6 英寸的Si-GaAs 在 21 世纪初也将投入工业应

29、用；提高材料的电学和光学微区均匀性；降低单晶的缺陷密度，特别是位错；砷化镓和磷化铟单晶的VGF 生长技术发展很快，很有可能成为主流技术。表 6：世界 GaAs 单晶主要生产厂家SiC Devier MOSFE T4H-SiC MESFET6H-SiC MESFET4H-SiC JFET6H-SiC JFETShottky diodecommen t600V，8Adevi fabricate dfmax=42GH zfmax=25GH z, 8.5db at 10GHzeff=340cm2V -1S-1 at 300KEnhance-me nt modeOver 1 kV breakdow n

30、at 300KTm（K）673673673723873973注：Tm 为um operating temperature国外对 SiC 器件的研究证明了 SiC 器件的抗辐射的能力。6H-SiC 整流器的抗电磁脉冲（EMP）能力至少是硅器件的 2 倍。实验结果表明结型 6H-SiC 器件有较强的抗下辐射的能力。埋栅JFET 在 辐射条件下的 ，总剂量 100 兆 条件下，跨导和夹断电压基本不变。对 125 伏和 410 伏 6H-SiC pn 结整流器进行中子辐照实验，中子流从 1013nA/cm2，到 1015nA/cm2，时，辐照前后 1000mA 电流的正向压降和雪崩击穿电压的 说明：具

31、有高掺杂的 125 伏整流器在正向电流 400mA 的降压几乎不境下工作，且抗辐射、耐高击穿电压性能以及发射可见光波长范围都不能满足现代电子 技术发展对高温、高频、高压以及抗辐射、能发射蓝光等 新要求。而以氮化镓和碳化硅为代表的第三代半导体材料具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率大、电子饱和漂移速度高、介电常数小、抗辐射能力强、良好的化学稳定性等独特的特性，它在光显示、光 、光探测等光电子器件和高温、高频大功率电子等微电子器件领域有广阔的应用前景，成为半导体领域研究热点。（1）国外发展概况、 、俄罗斯及西欧都极其重视宽禁带半导体的研究与开发。从目前国外对宽禁带半导体材料和器件的研究情况来看，主要

32、研究目标是 SiC 和GaN 技术，其中 SiC技术最为成熟，研究进展也较快；GaN 技术应用面较广泛，尤其在光电器件应用方面研究较为透彻。而 石技术研究报导较少，但从其材料优越性来看，颇具发展潜力。国外对SiC 的研究早在五十年代末和六十年代初就已开始了。到了八十年代中期，研究局和国家宇航局与北卡罗来纳州大学签订了开发 SiC 材料和器件的合同，并促成了在 1987 年建立专门研究 SiC 半导体的 Cree 公司。九十年代初， 国防部和能源部都把SiC 集成电路列为重点项目，要求到2000 年在 系统中要广泛使用SIC器件和集成电路，从此开始了有关 SiC 材料和器件的系统研究，并取得了令

33、人鼓舞的进展。即目前为止，直径50mm 具有良 能的半绝缘和掺杂材料已经商品化。 政府与西屋西子公司合作，投资 450 万 开了 3 英寸纯度均匀、低缺陷的 SiC 单晶和外延材料。另外，制造SiC 器件的工艺如离子注入、氧化、欧姆接触和 接触以及反应离子刻蚀等工艺取得了 进展，所以促成了 SiC 器件和集成电路的快速发展。由于SiC 器件的优势和实际需求，它已经显示出良好的应用前景。航空、航天、治炼以及深井勘探等许多领域中的电子系统需要工作在高温环境中，这要求器件和电路能够适应这种需要，而各类SiC 器件都显示良好的温度性能。SiC 具有较大的禁带宽度，使得基于这种材料制成的器件和电路可以满

34、足在 470K 到 970K 条件下工作的需要，目前有些研究水平已经达到 970K 的工作温度，并正在研究更高的工作温度的器件和集成电路。目前SiC 器件的研究概况见表 7。表 7：SiC 器件的研究概表变（30 伏），而雪崩击穿电压仅增加了 8.8%，而低掺杂的 410 伏整流器正向压降和雪崩击穿电压分别增加了 8.6%和 4%。GaN 在宽禁带半导体中也占有主导地位。GaN 半导体材料的商业应用研究始于 1970 年，其在高频和高温条件下能够激发蓝光的特性一开始就吸引了半导体开发的。但 GaN 的生长技术和器件制造工艺直到近几年才取得了商业应用的实质进极大步和突破。由于 GaN 半导体器件

35、在光电子器件和光子器件领域广阔的应用前景，其广泛应用预示着光电信息乃至光子信息时代的来临。1993 年的日亚化学公司研制出第一支蓝光发光管，1995 年该公司首先将GaN蓝光LED 商品化，到 1997 年某市场份额已达 1.43 亿。据 Strategies Unlimited 的，GaN 器件年增长率将高达 44%，到 2006 年其市场份额将达 30 亿。目前，日亚化学公司生产蓝光 LED，峰值波长 450nm，输出光为 3mw，发光亮度 2cd（Ip=20mA）。GaN 绿光LED，峰值波长 525nm，输出光功率为 2mw，发光亮度 6cd（Ip=20mA）。此外，日亚化学公司利用其

36、GaN 蓝光LED 和磷光技术，又开发出白光固体发光器件产品，将来可替代电灯，既提高灯的，又大大地节省能源。因此，GaN 越来越受到人们的欢迎。GaN 蓝光激光器也被日亚公司首先开发成功，目前已超过 10000hr。与此同时，GaN 的电子器件发展也十分迅速。目前 GaNFET 性能已达到ft=52GHz，fmax=82GHz。在 18GHz 频率下，CW 输出功率密度大于 3W/mm。这是至今报导K 波段微波GaNFET 的最高值。图 2：世界GaN 器件市场规模及在开展氮化镓度LED 和LD 研究的公司和大学有几十家之多，耗资上亿美的 APA 光学公司 1993 年研制出世界上第一个氮化镓

37、基HEMT 器件。2000 年 kyma 公司利用 AlN 作衬底，开发出 2 英寸和 4 英寸 GaN 新工艺；2001 年 1 Nitronex 公司在 4 英寸硅衬底上制造GaN 基晶体管获得成功；GaN 基器件和产元。 9 月月品开发方兴未艾。目前进入蓝光激光器开发的公司包括飞利浦、索尼、日立、和惠普等。包括飞利浦、通用等光照及汽车行业的公司正积极开发白光照明和汽车用GaN 基LED（发光二极管）产品。涉足 GaN 基电子器件开发最为活跃的企业包括 Cree、Rfmicro Device 以及Nitronex 等公司。目前，国外正朝着更大功率、更高工作温度、更高频率和实用化方向发展。、

38、等国家纷纷进行应用于照明 GaN 基白光LED 的产业开发，计划于 2015 年-2020 年取代白炽灯和日光灯，引起新的照明。据公司 Strstegies Unlimited 分析数据，2001 年世界 GaN 器件市场接近 7 亿美元，还处于发展初期。该公司即使最保守发展，2009 年世界GaN 器件市场将达到48 亿的销售额（见图 2）。Cree 公司由于其研究领先，主宰着整个碳化硅的市场，几乎 85%以上的碳化硅衬底由 Cree 公司提供，90%以上的生产在，亚洲只占 4%，欧洲占 2%。碳化硅衬底材料的市场正在快速上升阶段，估计到 2007 年，碳化硅衬底材料的生产将达到 60万片，

39、其中 90-95%被用于氮化镓基光电子器件作外延衬底。目前在 6H-SiC 衬底上氮化镓微电子材料室温迁移率达到 2000cm2/VS，电子浓度达到 1013cm-2 。生长在碳化硅衬底上的氮化镓基 HEMT 的功率密度达到了 10.3W/mm（栅长 0.6mm，栅宽 300mm），生长在碳化硅衬底上的 AlGaN/GaN HEMT器件（栅长为 0.12mm）的特征频率ft = 101GHz、最高振荡频率fmax =155GHz。与蓝宝石衬底材料相比，碳化硅衬底材料具有高的热导率，晶格常数和热膨胀系数 与氮化镓材料更为接近，仅为 3.5%（蓝宝石与氮化镓材料的晶格失配度为 17%），是一种更理

40、想的衬底材料。目前在碳化硅衬底上氮化镓微电子材料及器件的研究是国际上的热点，也是氮化镓基 HEMT 结构材料和器件的首选衬底，但碳化硅衬底上材料十分昂贵。（2）中国国内研究状况中国国内开展 SiC、GaN 材料和器件方面的研究工作比较晚，和国外相比水平还比较低。国内已经有一些在开展 SiC 材料的研究工作。到目前为止，2 英寸、3 英寸的碳化硅衬底及外延材料已经商品化。目前研究的重点主要是 4 英寸碳化硅衬底的技术以及大面积、低位错密度的碳化硅外延技术。目前国内进行碳化硅单晶的研制有物理所、硅酸盐、山东大学、信息46 所等，进行碳化硅外延生长的有半导体所、中国科技大学以及西安电子。西安电子科技

41、大学微电子已经外延生长了 6H-SiC，目前正在进一步测试证明材料的晶格结构情况。另外，还对材料的性质和载流子输运进行了理论和实验研究，器件的研究工作也取得了可喜的进展。采用国口的材料成功地制造出二极管和我国第一只6H SiC MOSFET，二极管的理想因子为 123，开启电压为 0.5 伏。MOSFET 的跨导为 0.36ms/mm，沟道电子迁移率为 14cm2Ns。采用 AL/NiCr 制作的欧姆接触的比接触电阻为 8.510-5/cm2，达到了可以应用于实验器件的水平。国内GaN 研究亦已开始，主要在基础研究方面，进展较快。在氮化镓基材料方面，半导体所在国内最早开展了氮化镓基微电子材料的

42、研究工作，取得了一些具有国内领先水平、国际先进水平的研究成果，可小批量提供 AlGaN/GaN HEM 结构材料，一些采用该种材料研制出了AlGaN/GaN HEM 相关器件。如：具有国内领先水平的 AlGaN/GaN HEM 器件；信息微电子所研制出13 所研制出了 AlGaN/GaN HEMT 器件，还研制出 GaN 蓝光 LED 样管，但发光亮度低。也研制出了GaNFET 样管（直流跨导 10ms/mm），性能较差。由于碳化硅衬底上材料十分昂贵，目前国内氮化镓基高温半导体材料和器件的研究主要在蓝宝石衬底上进行，由于蓝宝石与氮化镓材料的晶格失配大、热导率低，因此，材料和器件性能均受到很大限

43、制。、半导体材料发展趋势电子信息材料的总体发展趋势是向着大尺寸、高均匀性、高完整性、以及薄膜化、多功能化和集成化方向发展。当前的研究热点和技术前沿包括柔性晶体管、光子晶体、SiC、GaN、ZnSe 等宽禁带半导体材料为代表的第三代半导体材料、有机显示材料以及各种纳米电子材料等。随着电子学向光电子学、光子学迈进，微电子材料在未来 510 年仍是最基本的信息材料。电子、光电子功能单晶将向着大尺寸、高均匀性、晶格高完整性以及元器件向薄膜化、多功能化、片式化、集成向系统集成发展。集成度和低能耗方向发展。半导体微电子材料由单片微电子技术发展的主要途径是通过不断缩小器件的特征尺寸，增加集成度和信息处理速度

44、，由单片集成向系统集成发展。面积以提高1、Si、GaAs、InP 等半导体单晶材料向着大尺寸、高均质、晶格高完整性方向发展。椎 8 英吋硅是目前国际的主品，椎 12 英吋已开始上市，GaAs椎 4 英吋已进入大批量生产阶段，并且正在向椎 6 英吋生产线过渡；对单晶电阻率的均三材料类别多晶硅单晶硅硅抛光片（4 英寸、5 英寸）硅抛光片（6 英寸、8 英寸）硅外延片（4 英寸、5 英寸）硅外延片（6 英寸、8 英寸）4-6 英寸砷化镓单晶片普亮砷化镓外延材料红 外 AlGaAs外延材 料吨/年吨/年万片/年万片 年万片 年万片 年万片 年平方万寸/年平方万 寸/年目前 生产能力100近 1000约

45、 1300约 5003003001020102010 年需求量约 3000约 1600约约约约 600309090五、结束语不可否认，微电子时代将逐步过渡到光电子时代，最终发展到光子时代。预计到2010 年或 2014 年，硅材料的技术和产业发展将极限，第二代和第三代半导体技术匀性、杂质含量、微缺陷、位错密度、平整度、表面洁净度等都提出了更加苛刻的要求。2、在以 Si、GaAs 为代表的第一代、第二代半导体材料继续发展的同时，加速发展第三代半导体材料宽禁带半导体材料SiC、GaN、ZnSe石材料和用SiGe/Si、 SOI 等新型硅基材料大幅度提高原有硅集成电路的性能是未来半导体材料的重要发展

46、方向。3、继经典半导体的同质结、异质结之后，基于量子阱、量子线、量子点的器件设计、制造和集成技术在未来 515，将在信息材料和元器件制造中占据主导地位，分子束外延 MBE 和金属有机化合物化学汽相外延 MOCVD 技术将得到进一步发展和更加广泛的应用。4、 化学试剂和特种电子气体的纯度要求将分别达到 lppb0.1ppb 和 6N 级以上，0.5m 以上的杂质颗粒必须控制在 5 个/毫升以下，金属杂质含量控制在 ppt 级，并将开发替代 气体的新品种电子气体。四、中国半导体材料材料产业发展前景的展望中国的 IT 产业即将进入快速发展时期，这一点已成为人们的普遍共识。在信息产品市场的拉动下，电子

47、信息材料产业也将获得持续较快的增长。电子信息材料业在 IT产业中乃至整个国民经济中的地位将会进一步上升。据信息 的 ，2005 年中国电子信息产品市场的总规模将达 2 万亿元人民币，这大约相对于全球市场总规模的 13%。巨大的市场需求，将拉动中国信息产业快速发展。在此背景下，我国信息材料业的未来商机首先来自半导体材料市场。 全球最大、最重要的信息材料细分市场就是集成电路，而集成电路的 99%以上都是由硅材料制作的。半导体材料在信息设备中的价值含量已达 20%，并且还在继续上升。根据中国工程院的专项 与 ，中国 2005 年半导体材料材料的需求情况是（见表 8）：多晶硅需求将达 1500 吨；单

48、晶硅约 600 吨；硅抛光片约 8000 万平方英寸；硅外延片 500 万平方英寸；GaAs 单晶 2000 千克；GaAs 外延片 34 万片；InP 单晶 120 千克；化学试剂 8000 吨；塑封料 8000 吨；键合金丝 3000 千克。表 8：中国半导体材料需求量摘要：本文重点对半导体硅材料，GaAs 和 InP 单晶材料，半导体超晶格、量子阱材料，一维量子线、零维量子点半导体微结构材料，宽带隙半导体材料，光子晶体材料，量子比特构建与材料等目前达到的水平和器件应用概况及其发展趋势作了概述。最后，提出了发展我国半导体材料的建议。：半导体 材料 量子线 量子点 材料 光子晶体1 半导体材

49、料的地位上世纪中叶，单晶硅和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研制成功，导致了电子工业；上世纪 70 年代初石英光导材料和GaAs 激光器的发明，促进了光纤通信技术迅速发展并逐步形成了高新技术产业，使人类进入了信息时代。超晶格概念的提出及其半导体超晶格、量子阱材料的研制成功，彻底改变了光电器件的设计，使半导体器件的设计与制造从“杂质工程”发展到“能带工程”。纳米科学技术的发展和应用，将使人类能从原子、分子或纳米尺度水平上控制、和制造功能强大的新型器件与电路，必将深刻地影响着世界的政治、经济格局和军事对抗的形式，彻底改变人们的生活方式。几种主要半导体材料的发展现状与趋势硅材料从提高硅集成电路成品

50、率，降低成本看，增大直拉硅（CZSi）单晶的直径和减小微缺陷的密度仍是今后 CZSi 发展的总趋势。目前直径为 8 英寸（200mm）的 Si和产业将成为研究和发展的重点决策部门、半导体科研和企业在现有的技术、市场和发展趋势面前应把握历史机遇，迎接。参考文献：，半导体材料的发展现状，新材料产业，2003 年第 6 期，第三代半导体材料21 世纪 IT 产业新的发 ，新材料产业，2002年第 6 期将，半导体硅材料 发展现状，Semiconductor Technology Vol.27 No.2（2002），第三代半导体材料的发展及应用，世界产品与技术，2000 年 5 月Kim K M.,

51、Solid Se Techno, 2000, 43（l）：69.Polysilicon Production/Capacity World ve. Demand Estimate 19952003（electronic grade only）, Wacker Siltro-nic AG，1999） CASADY JB， JOHNSON R W, S us of silicon carbide （ SiC ） as a widebandgap semiconductor for high-temperature applications： a review J Solid S e Electro

52、n，1996，39（10）：1 4091 422.作者简介： ，教授，博士生导师； ， ，微电子与固体电子学院，电子科技大学，地址： 市建设北路二段四号 ：610054半导体材料研究的新进展 2008-2-13单晶已实现大规模工业生产，基于直径为 12 英寸（300mm）硅片的集成电路（ICs）技术正处在由向工业生产转变中。目前 300mm，0.18m 工艺的硅 ULSI 生产线已经投入生产，300mm，0.13m 工艺生产线也将在 2003 年完成评估。18 英寸重达 414 公斤的硅单晶和 18 英寸的硅园片已在极筹划中。研制成功，直径 27 英寸硅单晶研制也正在积从进一步提高硅 ICS

53、的速度和集成度看，研制适合于硅深亚微米乃至纳米工艺所需的大直径硅外延片会成为硅材料发展的主流。另外，SOI 材料，包括智能剥离（Smart cut）和 SIMOX 材料等也发展很快。目前，直径 8 英寸的硅外延片和SOI 材料已研制成功，更大尺寸的片材也在开发中。30nm 左右将是硅 MOS 集成电路线宽的“极限”尺寸。这不仅是指量理论分析子尺寸效应对现有器件特性影响所带来的物理限制和光刻技术的限制问题，更重要的是将受硅、SiO2 自身性质的限制。尽管人们正在积极寻找高 K 介电绝缘材料（如用 Si3N4等来替代 SiO2），低 K 介电互连材料，用 Cu 代替 Al 引线以及采用系统集成技术

54、等来提高 ULSI 的集成度、运算速度和功能，但硅将最终难以满足人类不断的对更大信息量需求。为此，人们除寻求基于全新原理的量子计算和 DNA 生物计算等之外，还把目光放在以 GaAs、InP 为基的化合物半导体材料，特别是二维超晶格、量子阱，一维量子线与零维量子点材料和可与硅平面工艺兼容 GeSi 合金材料等，这也是目前半导体材料研发的重点。2.2 GaAs 和InP 单晶材料GaAs 和 InP 与硅不同，它们都是直接带隙材料，具有电子饱和漂移速度高，耐高温，抗辐照等特点；在速、频、低功耗、低噪音器件和电路，特别在光电子器件和光电集成方面占有独特的优势。目前，世界 GaAs 单晶的总年产量已

55、超过 200 吨，其中以低位错密度的垂直梯度凝固法（VGF）和水平（HB）方法生长的 23 英寸的导电 GaAs 衬底材料为主；近年来，为满足高速移动通信的迫切需求，大直径（4，6 和 8 英寸）的SIGaAs 发展很快。美国莫拉公司正在筹建 6 英寸的SIGaAs 集成电路生产线。InP 具有比 GaAs 更优越的高频性能，发展的速度更快，但研制直径 3 英寸以上大直径的InP 单晶的未完全突破，价格居高不下。尚GaAs 和InP 单晶的发展趋势是：增大晶体直径，目前 4 英寸的SIGaAs 已用于生产，预计本世纪初的头几年直径为 6 英寸的SIGaAs 也将投入工业应用。提高材料的电学和光

56、学微区均匀性。降低单晶的缺陷密度，特别是位错。GaAs 和InP 单晶的 VGF 生长技术发展很快，很有可能成为主流技术。2.3 半导体超晶格、量子阱材料半导体超薄层微结构材料是基于先进生长技术（MBE，MOCVD）的新一代人工构 造材料。它以全新的概念改变着光电子和微电子器件的设计 ，出现了“电学和光学特性可剪裁”为特征的新范畴，是新一代固态量子器件的基础材料。（1）V 族超晶格、量子阱材料。GaAIAsGaAs，GaInAsGaAs，AIGaInPGaAs；GalnAsInP，AlInAsInP， InGaAsPInP 等 GaAs、InP 基晶格匹配和应变补偿材料体系已发展得相当成熟，已

57、成功地用来制造速，频微电子器件和单片集成电路。高电子迁移率晶体管（HEMT），赝配高电子迁移率晶体管（PHEMT）器件最好水平已达 fmax=600GHz，输出功率 58mW，功率增益 6.4db；双异质结双极晶体管（HBT）的最高频率 fmax 也已高达 500GHz，HEMT 逻辑电路研制也发展很快。基于上述材料体系的光通信用 1.3m和 1.5m 的量子阱激光器和探测器，红、黄、橙光发光二极管和红光激光器以及大功率半导体量子阱激光器已商品化；表面光件和光双稳器件等也已达到或接近达到实用化水平。目前，研制高质量的 1.5m 分布反馈（DFB）激光器和电吸收（EA）调制器单片集成InP量子阱

58、材料和速驱动电路所需的低维结构材料是解决光纤通信西门子公司已完成了 8040Gbps 传输 40km 的实验。另外，瓶颈问题的关键，在用于制造准连续兆瓦级大功率激光阵列的高质量量子阱材料也受到人们的重视。虽然常规量子阱结构端面发射激光器是目前光电子领域占地位的有源器件，但由于其有源区极薄（0.01m）端面光电灾变损伤，大电流电热烧毁和光束质量差一直是此类激光器的性能改善和功率提高的难题。采用多有源区量子级联耦合是解决此难题的有效途径之一。我国早在 1999 年，就研制成功 980nm InGaAs 带间量子级联激光器，输出功率达 5W 以上；2000 年初，法国公司又了单个激光器准连续输出功率

59、超过 10结果。最近，我国的科研工作者又提出并开展了多有源区纵向光耦合垂直腔面发射激光器研究，这是一种具有益、极低阈值、高功率和高光束质量的新型激光器，在未来光通信、光互联与光电信息处理方面有着良好的应用前景。为克服PN 结半导体激光器的能隙对激光器波长范围的限制，1994 年贝尔实验室发明了基于量子阱内子带跃迁和阱间隧穿的量子级联激光器，突破了半导体能隙对波长的限制。自从 1994 年InGaAsInAIAsInP 量子级联激光器（QCLs）发明以来，Bell等的科学家，在过去的 7 年多的时间里，QCLs 在向大功率、高温和单膜工作等研究方面取得了显着的进展。2001 年Neucha大学的

60、科学家采声子和三量子阱有源区结构使波长为 9.1m 的 QCLs 的工作温度高达 312K，连续输出功率 3mW.量子级联激光器的工作波长已覆盖近红外到远红外波段（3 87m），并在光通信、分辨光谱、应用前景。灵敏气体传感器、高速调制器和无线光学连接等方面显示出重要的微系统和于 1999 年研制成功 120K 5m 和 250K于 2000 年又研制成功 3.7m 室温准连续8m 的量子级联激光器；半导体应变补偿量子级联激光器，使我国成为能研制这类高质量激光器材料为数不多的几个国家之一。目前，V 族超晶格、量子阱材料作为超薄层微结构材料发展的主流方向，正从直径 3 英寸向 4 英寸过渡；生产型